非接觸測(cè)量玻璃的厚度及折射率的實(shí)驗(yàn)研究

1、    非接觸測(cè)量玻璃的厚度及折射率的實(shí)驗(yàn)研究    楊成英摘 要：本文根據(jù)反射定律、折射定律和幾何關(guān)系推導(dǎo)出計(jì)算玻璃的厚度及折射率的公式，并設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸玻璃測(cè)量玻璃的厚度及折射率。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用了3d打印技術(shù)以保證裝置中的兩把刻度尺相對(duì)平行，并利用了一個(gè)可調(diào)壓模塊使激光的亮度降低，以達(dá)到減少散射現(xiàn)象的目的，便于讀數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到一系列的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、可行性高、性價(jià)比高，使用該裝置測(cè)量玻璃的厚度及折射率的方法也具有精確、非接觸性、實(shí)用性佳、抗干擾性強(qiáng)、安全可靠的特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：玻璃 角度尺 激光

2、厚度 折射率中圖分類號(hào)：tq171 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1674-098x（2019）03（b）-0081-02在實(shí)際生產(chǎn)中，礙于玻璃特殊的保護(hù)外形，一般測(cè)量?jī)x器難以接觸到玻璃的兩個(gè)表面，測(cè)量困難。因此，本文提出一種光學(xué)非接觸測(cè)量方法，利用激光反射和折射得到激光亮斑，再根據(jù)反射定律、折射定律和幾何關(guān)系求出玻璃的厚度和折射率，為了保證裝置中的兩把刻度尺相對(duì)精確地平行，我們采用了3d打印技術(shù)打印實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了一系列的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、可行性高、性價(jià)比高等，并且使用激光測(cè)量玻璃的厚度及折射率的方法也具有精確、非接觸性、實(shí)用性佳、抗干擾性強(qiáng)、安全

3、可靠的特點(diǎn)。1 非接觸測(cè)量玻璃的厚度及折射率的實(shí)驗(yàn)研究1.1 實(shí)驗(yàn)原理為了實(shí)現(xiàn)非接觸玻璃精確地測(cè)量玻璃的厚度和折射率。我們利用光的反射定理（光從一種均勻物質(zhì)射向另一種均勻物質(zhì)時(shí)，會(huì)在它們的分界面上改變傳播方向。此時(shí)，入射光線，反射光線，法線在同一平面內(nèi)；反射光線和入射光線分居在法線的兩側(cè)；反射角與入射角相等，即“三線共面，兩線分居，兩角相等”。反射角隨入射角的增大而增大，減小而減小，當(dāng)入射角為零時(shí)，反射角也變?yōu)榱愣?。）以及光的折射定?（1）折射光線在入射面內(nèi)。（2）入射角和折射角的正弦之比為一常數(shù)，用n21表示，即=n21，式中n21稱為第二介質(zhì)對(duì)第一介質(zhì)的相對(duì)折射率），構(gòu)建了如圖1的幾何模

4、型。1.2 實(shí)驗(yàn)器材本文利用可調(diào)焦激光頭（功率小于5mw）、防水型數(shù)顯角度尺、刻度尺、有機(jī)玻璃、鋼化玻璃、普通玻璃、3d打印的固定支架（精確度較高）、塑料萬(wàn)象水平儀、可調(diào)節(jié)變壓模塊（在激光頭額定電壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)）、水平木板底座。1.3 實(shí)驗(yàn)步驟（1）將如圖2的實(shí)驗(yàn)整體裝置放在水平實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，把水平儀放在實(shí)驗(yàn)板上，通過(guò)紙片將實(shí)驗(yàn)裝置板調(diào)節(jié)水平，同時(shí)將數(shù)顯角度尺與3d打印的裝置緊貼，另一個(gè)水平儀緊貼在角度尺上，調(diào)節(jié)角度尺使其保持水平（目的是使得激光的發(fā)射光線所在的平面與刻度尺的所在的平面垂直）。（2）先不放置玻璃，轉(zhuǎn)動(dòng)激光頭與角度尺的組合裝置使激光頭與刻度尺所成的角度為3，打開(kāi)激光，旋轉(zhuǎn)激光頭聚焦，使

5、得激光點(diǎn)聚焦于最亮最小的一點(diǎn)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)可調(diào)壓模塊上的可調(diào)電阻（激光的功率依然小于5mw），從而使得激光的聚焦點(diǎn)散射效果降低，更加清晰可見(jiàn)（便于讀數(shù)還有提高裝置讀數(shù)的精確性），此時(shí)激光點(diǎn)射在右邊刻度尺上，移動(dòng)尺子，使激光射到易于讀數(shù)的整數(shù)點(diǎn)上（此操作對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果并無(wú)影響），記錄的點(diǎn)記為j，并記錄該點(diǎn)在刻度尺上的讀數(shù)為d1。（3）將玻璃緊貼于凹槽平行刻度尺的一邊，用泡沫把玻璃固定，保持激光頭不動(dòng)，激光折射后射在右邊刻度尺的點(diǎn)記為i（取最亮的那個(gè)點(diǎn)），并記錄該點(diǎn)在刻度尺上的讀數(shù)為d2。（4）通過(guò)旋轉(zhuǎn)可調(diào)壓模塊上的可調(diào)電阻，直到在另一邊的刻度尺上觀察到兩個(gè)明亮的光斑，調(diào)節(jié)激光頭（此操作對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

6、并無(wú)影響），使角度尺上的光斑最亮最小，再次旋轉(zhuǎn)可調(diào)壓模塊上的可調(diào)電阻，從而使得兩個(gè)光點(diǎn)散射效果降低，更加清晰可見(jiàn)，激光經(jīng)過(guò)反射和折射之后射在左邊刻度尺上的兩點(diǎn)分別記為e，f，并分別記錄兩點(diǎn)的讀數(shù)為d3，d4。（5）轉(zhuǎn)動(dòng)角度尺，改變3的度數(shù)，重復(fù)3、4步驟，并分別記錄數(shù)據(jù)。（6）依次更換其它玻璃，重復(fù)2、3、4、5步驟，并記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。1.4 數(shù)據(jù)記錄與計(jì)算分析如表1所示。2 實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)缺點(diǎn)該實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）非接觸玻璃精確地測(cè)量玻璃的厚度和折射率，避免直接測(cè)量的局限性；（2）該裝置能更好把激光頭、角度尺可行有效地結(jié)合在一起，能夠直接讀出入射角的度數(shù)，大大方便了實(shí)驗(yàn)的操作；（3）

7、整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置價(jià)格低廉，性價(jià)比高，實(shí)驗(yàn)的可行性高。但同時(shí)也具有一定的缺點(diǎn)：（1）對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置搭建的要求苛刻，玻璃兩邊的刻度尺必須平行，玻璃的放置也必須平行兩邊的刻度尺；（2）對(duì)于待測(cè)量的玻璃有一定的限制，必須可以豎直放在桌面上，并且表面必須是平整的，需要緊貼在裝置的一邊。3 實(shí)驗(yàn)誤差及其處理3.1 主觀因素實(shí)驗(yàn)操作可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置產(chǎn)生一定的振動(dòng)。通過(guò)觀察裝置旁邊的水平儀的氣泡在實(shí)驗(yàn)時(shí)始終保持穩(wěn)定，可表明人為操作對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響微乎其微。在實(shí)驗(yàn)步驟2操作過(guò)程中，當(dāng)放進(jìn)玻璃的時(shí)候，若是發(fā)現(xiàn)激光折射的點(diǎn)與直接照射的激光點(diǎn)不在同一水平面上時(shí)，需要調(diào)節(jié)刻度尺，使其保持水平，從而降低實(shí)驗(yàn)讀數(shù)的誤差。在實(shí)驗(yàn)步

8、驟4操作過(guò)程中，當(dāng)要再次旋轉(zhuǎn)激光頭時(shí)，由于激光頭設(shè)計(jì)的緊密性不夠高，激光頭旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)偏移一定的位置，使兩個(gè)光點(diǎn)之間的直線不在水平面上，故讀數(shù)時(shí)會(huì)存在一定的誤差，所以當(dāng)要聚焦時(shí)需要輕輕地旋轉(zhuǎn)激光頭，并稍微調(diào)節(jié)使兩個(gè)光點(diǎn)之間直線與刻度線垂直。由于尺子和3d打印材料只是通過(guò)簡(jiǎn)單的緊貼作用嵌合的，故實(shí)驗(yàn)裝置的組成存在一定的誤差，很難保證絕對(duì)平行的效果。3.2 客觀因素裝置的搭建需要高度的平行性，我們用3d建模打印保證裝置中的刻度尺高度平行性，在放置玻璃的地方設(shè)計(jì)一個(gè)長(zhǎng)方形的凹槽，其中長(zhǎng)方形的兩邊與刻度尺平行，放置玻璃的時(shí)候把玻璃緊靠凹槽與刻度尺平行的一邊，再用泡沫塞住固定，就能保證玻璃與刻度尺保持平行；實(shí)驗(yàn)過(guò)程存在一定偶然性，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)大大降低了實(shí)驗(yàn)的偶然性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差：鋼化玻璃的厚度的相對(duì)誤差為3.1%，普通玻璃的厚度的相對(duì)誤差為3%，有機(jī)玻璃的厚度的相對(duì)誤差為4.9%。4 結(jié)語(yǔ)本文根據(jù)反射定律、折射定律和幾何關(guān)系推導(dǎo)出計(jì)算玻璃的厚度及折射率的公式，設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸玻璃測(cè)量玻璃的厚度及折射率，并通過(guò)改變玻璃的種類、玻璃的厚度以及光的入射角度等幾個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄研究，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、可行性高、性價(jià)比高，